復合土釘墻在深基坑支護工程中的應用

齊善忠，胡 濤

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學院，河南 開封 475004)

0 引言

復合土釘墻是近年來在土釘墻基礎上發(fā)展起來的新型支護結(jié)構(gòu)。 它是根據(jù)工程需要，將土釘墻與深層攪拌樁、旋噴樁、各種微型樁和預應力錨桿等進行多種組合，形成復合型土釘墻，進行基坑支護的一種技術(shù)。 復合土釘墻彌補了一般土釘墻的缺陷和使用限制，具有安全可靠、造價低、工期短、使用范圍廣等優(yōu)點[1]，在實際工程中的應用越來越廣，經(jīng)驗的積累越來越多。

1 復合土釘墻的類型

根據(jù)理論研究和工程實踐，常用的復合土釘墻主要有攪拌樁+預應力錨桿+土釘墻、預應力錨桿+土釘墻、微型樁+預應力錨桿+土釘墻、攪拌樁+微型樁+預應力錨桿+土釘墻4 種類型[2]。

1.1 攪拌樁+預應力錨桿+土釘墻

攪拌樁+預應力錨桿+土釘墻(如圖1（a）所示)是應用最為廣泛的一種復合土釘墻形式[2]。 由于降水會引起地面的附加沉降，經(jīng)常對基坑周圍的建筑、道路等造成破壞，并引發(fā)工程事故，所以，一般情況下，深基坑支護均設置止水帷幕，它可以起到止水和加固支護的雙重作用。 止水帷幕可采用水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁等方法形成。 攪拌樁止水帷幕效果較好，造價低，應用較廣。 高壓旋噴樁僅在攪拌樁施工不便的情況下才使用。 止水后，土釘墻的變形一般較大，在基坑較深的情況下，一般采用預應力錨桿限制土釘墻的位移，這就形成了常用的復合土釘墻形式，即，攪拌樁+預應力錨桿+土釘墻。 在工程參數(shù)設計計算中，可以根據(jù)基坑深度、土層工程地質(zhì)條件及基坑周邊環(huán)境，確定此復合土釘墻的各種參數(shù)。

1.2 預應力錨桿+土釘墻

當基坑需要排水，且基坑較深無放坡條件時，可以采用預應力錨桿+土釘墻（如圖1（b）所示）的支護方式[3]。 該支護方式使用預應力錨桿加強土釘墻，限制其位移。

1.3 微型樁+預應力錨桿+土釘墻

當基坑開挖線離建筑物距離很近、地面荷載較大且土質(zhì)條件較差時， 開挖前需對開挖面進行加固。加固方法可采用微型樁+預應力錨桿+土釘墻(如圖1（c）所示)進行支護[4]。 微型樁常采用直徑100～300 mm 的鉆孔灌注樁、型鋼樁、鋼管樁以及木樁等，預應力錨桿能夠起到加強土釘墻、限制其位移的作用。

1.4 攪拌樁+微型樁+預應力錨桿+土釘墻

當基坑深度較大、 地質(zhì)條件和環(huán)境條件復雜時，采用攪拌樁+微型樁+預應力錨桿+土釘墻(如圖1（d）所示)的支護方式[5]。 這種支護形式?？纱鏄跺^支護結(jié)構(gòu)或地下連續(xù)墻支護形式。 在這種支護形式中，預應力錨桿一般設2～3 排，止水帷幕一般為旋噴樁或攪拌樁，微型樁變形較大時可采用型鋼樁。

2 復合土釘墻的設計計算

復合土釘墻的設計計算與一般土釘墻相似，包括整體穩(wěn)定性驗算和土釘抗拔力驗算兩部分[6]。 在整體穩(wěn)定性驗算中，除考慮土體、土釘?shù)淖饔猛?，需計算攪拌樁、旋噴樁、微型樁和預應力錨桿對整體穩(wěn)定的影響。 土釘(錨桿)抗拔力驗算方法與普通土釘墻相同。

2.1 整體穩(wěn)定性驗算

復合土釘墻的整體穩(wěn)定性驗算同普通土釘墻一樣，采用圓弧滑裂面法計算[7]。 計算中，需考慮止水帷幕、微型樁、預應力錨桿等的筋體的作用(如圖2所示)，其安全系數(shù)Kp的計算公式為

其中：

式中：Ks為土釘墻整體穩(wěn)定系數(shù)；Kp為復合土釘墻整體穩(wěn)定系數(shù)；ci為土體的黏聚力，kPa；φi為土體的內(nèi)摩擦角，°；Li為土條滑動面弧長，m；Wi為土條重量，kN；qi為土條地面荷載，kPa；bi為土條的寬度，m；TNs為土釘?shù)臉O限抗拉力，kN；S 為土釘?shù)乃介g距，m；θi為滑動面某處切線與水平面之間的夾角，°；αi為土釘與水平面之間的夾角，°；ξ 為折減系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗取0.5；τs為攪拌樁、微型樁抗剪強度設計值，kPa；As為攪拌樁、微型樁的橫斷面積，m2；PNj為預應力錨桿承載力設計值，kN；SL為攪拌樁、微型樁間距，m；Sm為預應力錨桿的水平距，m；ζ 為組合折減系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗取0.5～1.0；η 為折減系數(shù)，根據(jù)預應力大小取0.5～1.0。

圖2 復合土釘抗拔承載力驗算示意圖Fig.2 Uplift bearing capacity of composite soil nailing schematic diagram

2.2 抗拔承載力驗算

復合土釘墻中土釘(錨桿)抗拔力驗算與土釘墻相同(如圖3 所示)[7]，其安全系數(shù)的計算公式為

式中：KBj為第j 個土釘(錨桿)抗拔力安全系數(shù)，取1.5～2.0；Txj為第j 個土釘(錨桿)抗拉強度標準值，kN；eaj為主動土壓力，kPa；Sx，Sy為第j 個土釘(錨桿)水平、垂直間距，m。

圖3 復合土釘墻整體穩(wěn)定性驗算示意圖Fig.3 Overall stability of composite soil nailed wall schematic diagram

3 復合土釘墻的構(gòu)造

3.1 水泥土攪拌樁

復合土釘墻深基坑支護經(jīng)常需要止水帷幕。 止水帷幕一般采用相互搭接的深層攪拌樁或高壓旋噴樁，深入基坑底部2～3 m，并穿過強透水層，進入不透水層1～2 m。深層攪拌樁適用于淤泥、淤泥質(zhì)土、黏性土、飽和黃土、粉土、素填土，以及無流動地下水的飽和松散沙土等地基[9]。 單頭攪拌樁直徑一般采用500～600 mm，間距400～450 mm。當工程地質(zhì)條件較差、一排樁不能滿足要求時，可采用兩排或多排攪拌樁，形成止水帷幕。 高壓旋噴樁造價較高，但它施工方便，適用范圍較廣（一般地層均可適用）。 由于其旋噴直徑可調(diào)范圍大，一般為600～1 500 mm，也可做成相互搭接的定噴或擺噴止水帷幕，從而降低工程造價。

復合土釘墻中的止水帷幕，除止水功能外，還有加固地層和穩(wěn)定開挖面的作用。 所以，對攪拌樁或旋噴樁的強度有一定要求，樁身強度一般要求達到1～3 MPa。

3.2 預應力錨桿

在復合土釘墻的易變形部位設置1～3 排預應力錨桿，對土釘墻施加初始拉力，可大大減少土釘墻的位移，提高工程的安全系數(shù)。 預應力錨桿可采用鋼絞線預應力錨索和鋼筋預應力錨桿，也可采用鋼管預應力錨桿[8]。 錨桿錨頭必須與混凝土噴射面層可靠連接，將錨固力有效地傳遞到土層中。 復合土釘墻中預應力錨桿由于直接錨固在土中，深度一般不大，所以設計荷載不宜過大，一般不宜超過300 kN。

3.3 土釘

在復合土釘墻中，除使用傳統(tǒng)的鉆孔注漿型土釘外，還可采用打入注漿型鋼管土釘方法，以解決在沙層或軟土中土釘塌孔問題和鉆孔穿透止水帷幕時的滲漏問題。 土釘長度一般為4～12 m，間距為1～2 m，其他構(gòu)造與普通土釘墻同[8]。

3.4 微型樁

在實際工程中，常根據(jù)需要對土釘墻采取加固措施，以增加結(jié)構(gòu)的安全性。 微型樁是應用較多的加固方式之一。 微型樁常采用直徑100～300 mm 的鉆孔灌注樁，樁插入基坑底面以下2～3 m[8]。 微型樁配置鋼筋籠或型鋼，其頂部一般設置小型冠梁或連接梁，將樁連接成一個整體，同時設置預應力錨桿或土釘，以增加結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和承載力。

4 南京地鐵奧體中心站工程實例

4.1 工程概況

南京地鐵西延線的起點站——奧體中心站位于南京市規(guī)劃的上新河路和青石埂路交叉路口的西北角，全長625 m，由車站及前、后折返線3 部分組成。 該站周邊空曠，主體為地下一層、地上二層，屬淺埋地鐵車站，采用明挖順作法施工，基坑深9.5 m。奧體中心站地下一層為雙側(cè)式站臺車站，有效站臺長142 m，寬4.8 m，采用鋼筋混凝土四層多跨箱形框架結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)跨度一般為8 m，最大部位達到11.5 m。 折返線主要為單洞單跨結(jié)構(gòu)，凈跨度9.4～10.6 m。 站前折返線一部分為雙洞雙跨結(jié)構(gòu)，凈跨度為4.7～5.1 m[10]。

4.2 工程地質(zhì)條件

奧體中心站場地地貌為長江漫灘，地表水系發(fā)育，表層為雜填土，層厚1～2 m，向下依次為厚4～6 m 的軟塑～流塑狀淤泥質(zhì)土，厚5.2～8.5 m 的粉土(為可液化土層)。 車站結(jié)構(gòu)底板落在粉土層中。 場地內(nèi)淤泥質(zhì)土飽含地下水，透水性差，屬弱～微透水層。淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土作為相對隔水層， 上層為潛水，以下為承壓水。 場地水位在地面以下0.3～0.5 m，主要接受地表水補給，水位受季節(jié)性控制，年最大水位變幅小于1.0 m，一般在0.5 m 左右。

4.3 基坑圍護方案

根據(jù)本工程場地環(huán)境，采用二級放坡、攪拌樁+土釘墻復合支護方式。 開挖邊坡與水平面夾角約60°，邊坡中部設2 m 寬馬道；在基坑外側(cè)2 m 處設攪拌樁，形成止水帷幕，樁徑為700 mm，長15 m，間距為50 cm，水泥摻量為18%。 土釘長度上部為9 m，基坑底部一排為12 m， 鋼管土釘直徑為48 mm，壁厚3.5 mm，間距1.0 m×1.1 m。 采用兩次注漿工藝，第一次注水泥漿， 第二次注水泥沙漿。 坡面鋪設200 mm×200 mm ，Φ8 mm 的冷軋帶肋鋼筋網(wǎng)片，土釘部位設Φ20 mm 的“井”字壓筋，然后噴射厚10 cm 混凝土進行護坡。復合土釘墻支護剖面如圖4 所示。

4.4 基坑圍護施工

4.4.1 水泥攪拌樁施工

水泥攪拌樁施工選用雙軸深攪機。 該攪拌機施工進度快、搭接接頭少、防滲效果好。 為保證止水帷幕的質(zhì)量，應注意以下事項：（1）攪拌樁的水泥摻量選用18%，水灰比0.4～0.5；（2）控制樁位偏差小于20 mm，垂直度偏差小于1%；（3）嚴格控制攪拌軸提升速度，一般小于0.5m/min；（4）保證漿液泵送的連續(xù)，不得中斷。

4.4.2 復合土釘墻施工流程

土釘墻施工工藝流程為：分段開挖、修坡→打入鋼管式土釘→注漿→坡面掛網(wǎng)→焊接壓筋→噴射混凝土→二次注漿→進入下一循環(huán)。

圖4 復合土釘墻支護剖面圖(單位：cm)Fig.4 Composite soil nailed wall support section (Unit:cm)

4.4.3 復合土釘墻支護效果

本工程自2002 年12 月開工至2003 年6 月基坑完成開挖，經(jīng)過了2 次持續(xù)大暴雨的考驗，基坑始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，未出現(xiàn)大的險情，證明軟土地區(qū)深基坑采用復合土釘墻支護是可行的。

5 結(jié)語

復合土釘墻支護是一項時空性很強的施工工藝，在實施過程中，應結(jié)合現(xiàn)場實際，及時調(diào)整支護參數(shù)，并且措施要得當、工序要緊湊、處理要快。 大量的工程應用實例表明，在地質(zhì)條件較復雜的場地和軟土地區(qū)，復合土釘墻具有傳統(tǒng)土釘墻無法比擬的優(yōu)點，特別是在今后的深基坑支護工程中，必將獲得更為廣泛的應用。

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